李玉林換熱器方案設(shè)計書

1、目錄書 . 1二 概 述 . 2三換熱器的設(shè)計計(安. 4一)確定設(shè)計方案4(二)確定物性數(shù)據(jù)4(三)計算總傳熱系數(shù)5(四)計算傳熱面積5(五)工藝結(jié)構(gòu)尺寸51.管 徑 和 管 內(nèi) 流速 .62.管程 數(shù) 和 傳 熱 管數(shù) .63. 平 均 傳 熱 溫 差 校 正 和 殼 程 數(shù) .64.傳熱管排列和分程方法 65.殼程內(nèi)徑.6. 6折流7. 7其丿、他附8. 7接板件. 8（七）換熱器主要工藝結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果 表 . 11四設(shè)備參 算121.厚122.133.4.箱13封5.片13備6. 片.14法147.板.8.14折9.1510. 浮 頭 管箱 . 1511. 浮 頭 . 1512.

2、支 座 設(shè) 計 . 1513. 排 氣 、 排 液. 1514. 設(shè) 備 參 數(shù) 總 表 . 16五參考文 獻 . 17設(shè)計任務(wù)書化工原理課程設(shè)計任務(wù)書專業(yè)：化學(xué)工程與工藝 班級：化工 103 姓名：李玉林 設(shè)計題目：煤油冷卻器設(shè)計 設(shè)計條件：1 設(shè)備處理量 15000Kg/h 。2:煤油入口溫度C 140,出口溫度40C3.冷卻水：入口溫度30 C,出口溫度40C4熱損失可忽略。5.殼程壓降不大于 30Kp。設(shè)計要求1設(shè)計滿足以上條件的換熱器并寫出設(shè)計說明及草稿。2根據(jù)所選換熱器畫出設(shè)備裝配圖（ 1 號圖）及草稿。 指導(dǎo)教師：朱憲榮2013 年 6 月 17 日二、概述：傳熱過程是化工生產(chǎn)過

3、程中存在的極其普遍的過程,實現(xiàn)這一過程的換熱 設(shè)備卻種類繁多,形式多樣。按換熱設(shè)備的傳熱方式劃分主要有直接接觸式、蓄熱式和間壁式三類。雖 然直接接觸式和蓄熱式換熱設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單,制造容易等特點,但由于在換 熱過程中,有高溫流體和低溫流體相互混合或部分混合,使在應(yīng)用上受到限 制。因此工業(yè)上所有的換熱設(shè)備工業(yè)上所有的換熱設(shè)備以間壁式換熱器居多。 管式換熱器的類型也是多種多樣的,從其結(jié)夠上大致可分為管式換熱器和板式 換熱器。管式換熱器主要包括蛇管、套管和列管式換熱器；板式換熱器主要包 括板式、螺旋板式、板殼式換熱器。不同類型的換熱器各有自己的優(yōu)點和使用 條件。1、固定管板式固定管板式換熱器是用焊接

4、的方式將連接管束的管板固定在殼體兩端。主要特點是制造方便，緊湊，造價較低。但由于管板和殼體間的結(jié)構(gòu)原因，使得管外側(cè)不能進行機械清洗。另外當管壁溫與殼體壁溫之差較大時，會產(chǎn)生較大 的溫差應(yīng)力。嚴重時會毀壞換熱器。由此可知，固定管板式換熱器使用與殼程流體清潔，不易結(jié)垢?；蛘吖芡?側(cè)污垢能用化學(xué)處理方法去掉的場合，同時要求殼體壁溫與管子壁溫之差不能 太大，一般情況下，該溫差不得大于 50C。若超過此值，應(yīng)加溫度補償裝置。 通常是在殼體上加一膨脹節(jié)。2、浮頭式換熱器 浮頭式換熱器是用法蘭把管束一端的管板固定到殼體上，另一端管板可以 在殼體內(nèi)自由伸縮，并子這端管板上加一頂蓋成為“浮頭”。這類換熱器的主要

5、特點是管束可以從殼體中抽出，便于清洗管間和管內(nèi)。 管束可以在殼體內(nèi)自由伸縮，不會產(chǎn)生溫差應(yīng)力。但這種換熱器結(jié)構(gòu)較為復(fù) 雜，造價高，制造安裝要求高。由以上特點可以看出浮頭式換熱器的應(yīng)用范圍很廣，能在較高的壓力下工 作，使用于殼體壁溫與管壁溫之差較大，或殼程流體易結(jié)垢的場合。3、U型管式換熱器這類換熱器的管束是由彎曲成 U 型的傳熱管組成。其特點是，管束可以自 由伸縮，不會產(chǎn)生溫差應(yīng)力，結(jié)構(gòu)簡單，造價比浮頭式低，管外容易清洗。但 管板上排列的管子較少，另外由于管束中心一帶存在間隙，且各排管子回彎曲 率不同，長度不同，故物料分布不夠均勻，影響傳熱效果。U 型管式換熱器適用于殼程流體易結(jié)垢，或是殼體壁

6、溫與管壁溫之差較大的 場合，但要求管程流體應(yīng)較為清潔，不易結(jié)垢。4、填料函式換熱器這類換熱器具有浮頭換熱器的優(yōu)點，克服了固定管板式換熱器的缺點，結(jié) 構(gòu)比浮頭式簡單，制造方便，易于檢修清洗 。對于一些腐蝕嚴重，需要經(jīng)常更 換管束的場合常采用這種換熱器。但這種換熱器密封性能差，故殼程不宜處理 易燃、易爆或有毒的氣體。同時要求殼程流體的壓力不宜過高。目前所適用的 填料函式換熱器的直徑一般在 7000mm 下，很少米用大直徑的填料函式換熱三、換熱器的設(shè)計計算(一) 確定設(shè)計方案1、選擇換熱器類型兩流體溫度變化情況：煤油進口溫度 140C，出口溫度40C ;冷卻水進口 溫度30C，出口溫度40C。由于該

7、換熱器的管壁溫度和殼體溫度有較大溫差， 故選用浮頭式換熱器。2、流動空間及流速的確定實際生產(chǎn)中，冷卻水一般為循環(huán)水，而循環(huán)水易結(jié)垢，為便于清洗，應(yīng)采 用冷卻水走管程，煤油走殼程。選用 25 X 2.5的碳鋼管，管內(nèi)流速設(shè)為u=0.8m/s o(二) 確定物性數(shù)據(jù)定性溫度：可取流體進口溫度的平均值殼程煤油的定性溫度： 14040T=90 (C)2管程流體的定性溫度：t=3+4 =35 ( C)2根據(jù)定性溫度，分別查取殼程和管程流體的有關(guān)物性數(shù)據(jù) 煤油在90C的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度 P o=810kg/m3定壓比熱容Cpo=2.3kJ/(kg* C)導(dǎo)熱系數(shù)入0=0.130W/(m*C)粘度 u

8、 =0.000091Pa*s冷卻水在35C的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度 P i=994kg/m3定壓比熱容Cpi=4.174kJ/(kg* C)導(dǎo)熱系數(shù)入i=0.626W/(m*C)粘度 u i=0.0000727Pa*s(三) 計算總傳熱系數(shù)1、熱流量93.973.14* 0.025*105二 11.4( m) 選一超2 =tm =l加11譏2(14040) _(40_30) =39 1(c)l 140-40二 40 - 303、冷卻水用量WiQoCpiti63.45*104.174* (40 -30)-82398(kg/h )污垢熱阻2Ri=0.000344m* C /WoRo=0.00017

9、2m* C /W管壁的導(dǎo)熱系數(shù)（四）計算傳熱面積假設(shè)K=300W/（m2* C），則估算的傳熱面積為:QKG958000300*39.1= 81.71(m2)考慮 15%勺面積裕度，Ap=1.15*A=1.15*81.7仁93.97（ ni）（五）工藝結(jié)構(gòu)尺寸1、管徑和管內(nèi)流速選用 25*2.5較高級冷撥傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)流速 u嚴0.7m/s2、管程數(shù)和傳熱管數(shù)依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)nsV兀di2u82398/(3600* 994)0.785* 0.022 * 0.7= 104.76 : 105 (根)按單程管計算，所需的傳熱管長度Q=noGoto=15000*2.3* (

10、140-40) =3.45*10 6kJ/h=958kW2、平均傳熱溫差140-4040 -30 =1040-2514025= 0.091、102 110110.0911-0.091*10 J取管間距:按單程管設(shè)計，傳熱管過長，宜采用多管程結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)取傳熱管長l=6m,則該換熱器管程數(shù)為：“卩丄=11.4 2 （管程）p l 6傳熱管總根數(shù)N =105*2=210（根）3、平均傳熱溫差校正及殼程數(shù)平均傳熱溫差校正系數(shù)按單殼程，雙管程結(jié)構(gòu)，溫差校正系數(shù)為yR1| 1_p 八 1(2/ p)_1 _RR2 +1 IR1pR 丿(2/p)1 RJR2+1一(2/ 0.091 )1 10 + J102

11、+1 1 (2/0.091)-1 -10-J102 +1 一= 0.85( C)平均傳熱溫差：tm 二：tm = 0.85* 39.1 =33.2( C)由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適4、傳熱管排列和分程方法采用組合排列法，即每程內(nèi)均按旋轉(zhuǎn)45正四邊形排列，其優(yōu)點為管板強度高，流體走短路的機會少，且管外流體擾動較大，因而對流傳熱系數(shù)較高， 相同的殼程內(nèi)可排列更多的管子。查熱交換器原理與設(shè)計P46,表2-3管間距，t =1.25* 25 =31.25 ： 32(mm)橫過管束中心線的管數(shù)nc -1,19 N =1.19*210 =18 （根）由化工單元過

12、程及設(shè)備課程設(shè)計P67,公式3-16，隔板中心到離其最近一排管中心距離S=t/2+6=32/2+6=22 mm折流板數(shù)NB一16000 -1150-39塊取各程相鄰管的管心距為44mm5、殼體內(nèi)徑采用多管程結(jié)構(gòu)，取管板利用率二.7，則殼體內(nèi)徑為D=1.05t、.N/ =1.05*32* . 210/0.7 = 581.97(mm)圓整可取D = 600mm6、折流板采用弓形折流板，取弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%，則切去的圓缺高度為 h =0.25* 600 =150mm取折流板間距B =0.3D，則B =0.3*600 = 180mm 可取 B為 150mm折流板圓缺水平裝配。7.其他

13、附件選取拉桿直徑為12mm拉桿數(shù)量為4根&接管殼程流體進出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)油品流速為 u.Om/s，則接管內(nèi)徑為二 0.081m取標準管徑為 80X 4 mm。管程流體進出口接管：取接管內(nèi)循環(huán)水流速為 urGm/s，則接管內(nèi)徑為,4V4*82398/(3600* 994)d0.135m皿 3.14*1.6取標準管徑為 150X 4.5 mm。4*15000/(3600*810)I 3.14*1.0(六)換熱器核算1.傳熱能力核算0.14Jodo1 = 0.15*0.6* 1 - t丿0025 = 0.0197( m)0.03215000 /(3600* 810)0.0197=0.216m/

14、 sRe。0.027* 0.216* 8100.000091-6250323*10 * 0.000091 =16.10.1300.14= 0.95粘度校正：o =0.36* 0.130* 62500.55 * 16.11/30.02-510W /(m2* C)2）管程對流傳熱系數(shù)占i:i =0.023 didu -Cpi i041）殼程對流傳熱系數(shù)對圓缺形折流板，可采取克恩公式o 0.55 1 / 3：o =0.36Reo Prd當量直徑，由正方形排列得殼程流通截面積殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為普蘭特準數(shù)de =2 兀 24 t -doI 44*23142 ,0.032* 0.025do3.1

15、4*0.025= 0.027(m)ui82398 /(3600* 994)0.030二 0.70m/s0.02* 0.70* 994Rei0.000727=19142A =0.785* 0.022* 210-0.0330(m2)管程流通截面積管程流體流速及其雷諾數(shù)分別為普蘭特準數(shù)Pr34.174* 10 * 0.0007275.470.626.0.023* 0*0.020(19142)08* 5.4704= 3785W/(m2* C)doRsido:ididi込 Rso 10.0253785* 0.0200.000344* 0 .020 00.0001721510958A= QK：tm 338

16、*33.22-85.37(m )15.86%85.373)傳熱系數(shù)K= 338W/(m2* C)4)傳熱面積A該換熱器的實際傳熱面積SPAp = ：dLN =3.14*0.025*6* 210 =98.91(m2)該換熱器的面積裕度Ap 一 A98 91 85 37p * 100% = *100%A傳熱面積裕度合適，該換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。2、換熱器內(nèi)流體的流動阻力(1)管程流動阻力Z AR =(也P + 也F2)FtNsNpNs =1NP =2Ft= 1.5由 Re =19142管相對粗糙度0=0.001，查莫狄圖得入=0.042W/(m*。流速 5 = 0.70m/s P = 994kg

17、/m3 所以P126994* 0 702= 0.042*9940.02= 3068.48( Pa).P2 =3*2994* 0.702=730.59( Pa) ：R =(3068.48 730.59)*1.5*1* 11397.21(Pa) : 30kPa 管程流動阻力在允許范圍之內(nèi)。(2)殼程阻力E AP。=(AP+AF2)FtNsNs =1Ft =1流體流經(jīng)管束的阻力.R-Ff。nJNB 1)沁2F =0.50 228f。=5*3046 .= 0.8029nc = 18NB =39,uo =0.261m/s：P10.5* 0.8029* 18* (39 1) 810 0.2612-=797

18、4.45( Pa)流體流過折流板缺口的阻力&2B Pu：P2NB(3.5)。D 2B = 0.15m, D = 0.60m2* 0 15 810*0.2612卩239* (3. 5)*3227.91(Pa)0.60 2總阻力、P2=(7974.45 3227.91)*1*1 =11202.36(Pa) ： 30kPa殼程流動阻力也比較合適（七）換熱器主要工藝結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果表表1主要尺寸及結(jié)果表管程殼程流率 kg/h8239815000溫度 C進/出30/40140/40定性溫度C3590物密度kg/ m3994810熱容kJ/kg C4.1742.3黏度Pa s0.0007270.0000

19、91導(dǎo)熱系數(shù)0.6260.13性w/mC雷諾準數(shù)19924.07406.73型式浮頭式臺數(shù)1設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)殼體內(nèi)徑mm600殼程數(shù)1管徑mm25 2.5管心距mm32管長mm6000管子排列正方形旋轉(zhuǎn)45管數(shù)目（根）210折流板個數(shù)39管程數(shù)2材質(zhì)碳鋼2傳熱面積m85.37折流板距mm200主要計算結(jié)果管程殼程流速m/s0.700.261傳熱系數(shù)w/m C3785510污垢熱阻m2C/w0.0003440.000172熱負荷kw958平均傳熱溫差C33.2總傳熱系數(shù)w/ m2C338.44裕度15.86%二 0.081m3.14*1.6二 0.135m四.設(shè)備參數(shù)計算1.殼體壁厚由Po= 1.6

20、 MPa , Di = 600mm對殼體與管板采用單面焊，焊接接頭系數(shù) =0.65,殼體工作溫度下的許用應(yīng)力二t=113MPa6 _F0Di1.6x600-F0+C= 2 113 0.65 -1.6 +C=6.61+2.6=9.2mmC=C1+C2 =0.6+2=2.6mm圓整后取10mm（材料與零部件（上）查的鋼板厚度負偏差C1是0.6mm腐蝕裕度C2為2mm查閱結(jié)構(gòu)與零部件（上），無縫鋼管制作筒體時容器的公稱直徑，采用公稱直徑為 DN= 6000mrK 10mrri的殼體，貝U Do= 620mm Di=600mm2.接管及其法蘭（1）殼程流體進出口接管取接管內(nèi)循環(huán)油品流速為uMOm/s，

21、則d _ 4V _ 4*15000/(3600*810)- 二u 一 .3.14*1.0取標準管徑為 80 x4mm（2）管程流體進出口接管取接管內(nèi)循環(huán)水流速為uhem/s，則取標準管徑為 150X 4.5 mm。查閱材料與零件P384,表2-2-23 得表-2管子平焊法蘭螺栓焊縫DgdHSDD1D2fbd重量(kg )數(shù) 量直徑KH80894185150128314181.954M16561501594.5260225202312182.628M16563.設(shè)備法蘭查（材料與零部件（上） P386表2-2-23）得4*82398/(3600* 994)d =表-3管子平焊法蘭螺栓焊縫DgdH

22、SDD1D2fbd重量(kg)數(shù) 量直徑KH60063098407707205504180.320M3610114.封頭管箱封頭：以外徑為公稱直徑的橢圓形封頭（JB1154-73）表-4公稱直徑Dg曲面咼度直邊高度h2內(nèi)表面積F（m2）容積v (m3)600150400.4640.396根據(jù)壓力容器設(shè)計規(guī)范采用材質(zhì)為16MnF的標準橢圓封頭，在滿足強度要求的情況下，其壁厚可用以下公式計算：pDs2汀 _0.5p焊接接頭系數(shù) =0.65,殼體工作溫度下的許用應(yīng)力二t=113MPa 二B1.6 匯 600比汀R+g 2 113 0.65 -1.6 +c=6.61+2.6=9.2mmC=C1+C2

23、=0.6+2=2 6mm （材料與零部件（上）查的鋼板厚度負偏差 C1是0.6mm腐蝕裕度C2為2mm）實取 =10mm5.設(shè)備法蘭墊片（橡膠石棉板）表-5公稱直徑Dg墊片內(nèi)徑d公稱壓力F（m2）墊片外徑D600615166556.管法蘭用墊片 表-6法蘭公稱壓力Mpa介質(zhì)溫度密封面型式墊片名稱材料煤油 1.6 200光滑橡膠墊片橡膠板循環(huán)水 1.6 60光滑橡膠墊片橡膠板7.管板30,長度666,材料為16MnR支墊（鞍式支座）（材料與零部件（上）P559表2-7-1鞍式支座尺寸）表-7公稱直徑Dg每個支 座允許 負荷tb1LBlK1bm重量(kg)60036.818055012026042

24、09022026.38.折流板采用弓形折流板，材料 A3F鋼板，拱高：h=150mm板間距：B=150mm板數(shù)：n B=39板厚：S B=5mm由于考慮到實際安裝時由于第一塊折流板的位置殼體接管位置的影響，在 一個殼程內(nèi)折流板的個數(shù)應(yīng)為 39個。9.拉桿由于折流板是半弓形的，在布置拉桿時要考慮到定位的問題。本換熱器殼體 內(nèi)徑為600mm拉桿的直徑 =12,共4根。拉桿是用來安裝折流板的，查閱 化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計P135,表4-7和表4-8得：拉桿螺紋公稱直徑：d n=12mm前螺紋長La=15mm后螺紋長Lb=18mm拉桿數(shù)：4根10浮頭管箱管箱長L=400mm管箱內(nèi)徑=600mm壁厚

25、=10mm11.浮頭浮頭管板外徑 D0=Di-2b1=600-2 x 3=594mm墊片寬度bn=10mm浮頭管板密封面寬度 b2=bn+1.5=10+1.5=11.5mm浮頭法蘭溝圈內(nèi)徑Dfi 二 Di -2(bi bn) = 600 -2(3 10) = 574mm浮頭法蘭溝圈外徑Df。=DI 100 =700mm布管限定圈直徑DL 二 Di - 2(bi b2 b) = 600 - 2 (3 11.54 563mm外蓋內(nèi)直徑DL = Di 100 = 700mm螺栓中心圓直徑 Db=D0+Df0=(594+680)/2=637mm化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計第五節(jié)設(shè)計實例與石油化工設(shè)備設(shè)計

26、手冊P154512.支座設(shè)計查材料與零部件(上)P559,表2-7-1鞍式支座尺寸，當公稱直徑=600mm時，b1=180mm , L=550mm , B=120mm , b=90mm, m=220mm 質(zhì)量=26.3kg ,A= 0.2 x 6=1.2m,支座間距=6000-2x 5-2x 1200=3590mm13.分程隔板查閱化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計P127,表4-1，因本此設(shè)計換熱器的公稱直徑Di=600mm,對于碳鋼，得隔板厚度為：b= 10mm。分程隔板長 L仁 150+40+400+5-10=585mm L2=200+5-10=190mm其中 10mm為管箱嵌入法蘭深度，5mn為隔板嵌入管板深度。13.排氣、排液管查表材料與零部件P123無縫鋼管(YB231-70),取排氣液管：外徑二45mm管厚=3.5mm 伸出高度=80mm14.設(shè)備參數(shù)總表表-8序 號圖號標準名稱數(shù)量材料單重(kg)總量(kg)1LNQ-001-3前瑞管箱1組合件84.52HG20592法蘭PL100-1.0